专利名称：：具有热辅助写入的磁元件的制作方法
技术领域：
：本发明涉及磁隧道结或磁自旋阀元件领域，例如在非易失性磁随机存取存储器中使用的那些元件，所述元件可以以已知方式用于在电子系统中存储、读出和写入数据。更具体而言，本发明应用于通常缩写为"MRAM"的磁随机存取存储器，其由多个存储单元构成，每个存储单元由通常缩写为"MTJ"的磁隧道结形成。相关地，本发明还涉及具有磁性层的逻辑元件，前提是它们使用至少一个磁隧道结或自旋阀。在下文中，术语"磁元件，，是指包括至少一个限制层(trappedlayer)、自由层(freelayer)以及在它们之间的绝缘层或半导体层或限制电流通路层的磁性层堆叠结构。术语"限制层"和"自由层"将在下文中更精确地限定。
背景技术：
：由于在环境温度下具有高磁致电阻的磁隧道结(MTJ)的发展，MRAM存储器重新获得了人们的关注。这些磁随机存取存储器具有许多明显的优点-与SRAM相当的速度(读写操作只需几纳秒)，-与DRAM相当的密度，-非易失性，类似于快闪存储器件，-无读/写疲劳，-对电离辐射不敏感，该问题由于单元晶体管尺寸缩减而变得日益尖锐。因此，它们正日益取代使用基于电容器电荷状态的更常规技术的存储器(DRAM，SRAM、FLASH),并且正在变成通用存储器。生产的第一种磁存储器由许多存储单元构成，每个存储单元由具有所谓"巨磁阻"的元件以及几个交替的磁性和非磁性金属层的叠层构成。例如可以在以下文献中发现这类结构的描述涉及基本结构的文献US494卯39和US5159513以及涉及实现基于这些基本结构的随机存取存储器(RAM)的文献US5343422。由于其结构，该技术使得可利用简单技术来生产非易失性存储器，但是该存储器的容量有限。存储单元沿每条线串联连接的事实限制了可能的集成，因为随着单元数的增加，信号变得越来越弱。磁隧道结(MTJ)存储单元的发展使得可以在这些存储器的性能以及使其功能化的方法方面实现重大改进。例如在文献US-A-5640343中描述了这种磁隧道结存储器。在其最简单的形式中，它们包括由薄绝缘层分隔的不同矫顽性的两个磁性层。当位于隧道势垒层两侧的构成上述磁性层的存储层和基准层的磁化分别反平行时，磁隧道结的电阻高。相反，当磁化平行时，这种电阻变低。这两个磁性层优选基于3d金属(Fe、Co、Ni)以及它们的合金(可能含有硼或锆，以使所述层结构非晶化并使它们的界面平坦化)，绝缘层通常由非晶氧化铝(AlOx)或晶体氧化镁(MgO)构成。有利的是，基准层(也称为"限制层")自身可以由例如在文献US-5583725中所描述的几个层的叠层构成，从而提供所谓的合成反铁磁(SAF)层。类似地，可以利用双磁隧道结来替代磁隧道结的每一个单存储单元，如在出版物Y.SAITO&al,乂ow7ifl/附flgwC/膽附fl^id'c/MflfwVi/s,Volume223，2001，page293中所描述的。在这种情况下，将存储层置于两个绝缘层之间，其中这种结构包括置于所述各绝缘层相反表面上的两个基准层。称为"FIMS，，(场诱导磁转换)(即通过诱导磁场反转磁化)的最经典的结构描述在文献US-A-6021065以及出版物J/;/7//^//V^s/cs"W.W，"97，/mge375S中，并且在图1中示出。从表示现有技术的图l可以看出，每个存储单元(10)包括与磁隧道结MTJ(11)相关联的CMOS晶体管(12)。所述隧道结(11)包括称为"存储层，，或"自由层"的至少一个磁性层(20)、薄绝缘层(21)以及称为"限制层"或"基准层"的磁性层(22)。这些具有均由磁隧道结构成的存储单元的磁存储器的操作在写入时涉及由与每一个所述磁单元相关联的电流线(currentlines)或导体产生的脉冲磁场。因此，在FIMS结构的情况下，存在三个电流水平线(currentlinelevel)。在图1中，通常相对于彼此以90。角排列的两个水平线(14)(字线)和(15)(位线)设计为产生磁场脉冲，这使得可以在写入过程中转换自由层(20)的磁化。通过使典型持续时间为25ns以及强度为约几个毫安的简短电脉沖通过电流线(14)和(15)来产生这些磁场脉冲。调节这些脉冲的强度以及它们的同步性，使得只有位于这两个电流线交叉点处的存储单元的磁化能够被转换。附加电流水平线(16)(也称为"控制线")设计为控制与各存储单元相关联的选择或转换晶体管(12)的开启或关闭，以便能够对每一个存储单元单独寻址。换言之，CMOS晶体管(12)用作转换器(switch)。当对所述存储单元进行写入时，选定晶体管(12)被关断或断开，因此没有电流流过晶体管。电流脉冲I被发送通过对应于选定存储单元(10)的两个电流线(14)和(15)。电流脉冲I的振幅使得所产生的磁场不足于转换在线(14)或(15)上的存储单元，除了在线(14)和(15)的交叉点之外，在该交叉点处，两个线的接合作用足以产生足以并能够转换所述存储单元的层(20)的磁化的磁场。在读取模式中，晶体管(12)处于饱和模式或接通(ON)，这是因为正电流脉冲经过控制线(16)施加到所述晶体管的栅极并且流过的电流是最大的。然后，通过电流线(14)发送测试电流并且其仅可通过晶体管(12)处于饱和模式或接通的存储单元。该电流用于测量所述选定存储单元(10)的磁隧道结(11)的电阻。与基准存储单元(没有示出)相比较，随后可确定存储单元(10)的对应状态-"0"(对于具有平行低电阻磁化的结构)或"l"(对于具有反平行高电阻磁化)。如上所述，显然，调节流过电流线(14)和(15)的脉冲强度以及它们的同步性，使得只有位于这两个电流线的交叉点的存储单元(选定单元)的磁化可由于所述两个导体所产生的磁场影响而转换。位于相同行或相同列上的其它存储单元(半选定元件)实际上仅仅经受导体(14,15)之一的磁场并因此没有反向。考虑到写入这些存储单元的机理性质，这种结构的局限性是显而易见的。由于写入是利用外部磁场实现的，因此写入受到各存储单元的单个反向场(reversalfield)的值的影响。由于所有存储单元的反向场的分布函数(distributionfunction)很宽(实际上因为制造限制和本征统计学波动使得它并不均匀)，在选定存储单元处的磁场必须超过统计分布中的最大反向场，因此存在无意中使得位于对应行或列上的某些存储单元反向的风险，其中在分布的较低部分中反向场弱于由所述行或列单独产生的磁场。另外，利用这种外部磁场的存储器的功率消耗较高，反向磁场的分布较宽。而且，考虑到一般来说反向场的平均值随存储单元尺寸的减小而增加并且单元尺寸趋于减小以节约空间的事实，未来一代产品很可能需要甚至更高的电流。因此，这些存储器的集成度越高，则它们运行所需要的功率就越高。这些现有技术的存储器的另一缺点是随着存储单元尺寸的减小自由层相对于热波动的磁化稳定性。实际上，必须克服能量势垒(energybarrier)以使得所述层的磁化从一个取向转向另一个取向，该能量势垒与所述层的体积成比例。由于所述体积减小，因此势垒的高度变得与热激发相当。因而，写入存储器中的信息不再能保存。为了克服这种困难，一种方法是例如通过选择具有较高各向异性的材料或通过增强存储单元的各向异性来增加自由层的磁各向异性。但是这样做增加了为获得磁转换所需的磁场，并因此也增加了为获得磁转换所需的磁场而消耗的功率。在字线和位线中的电流在某些情况下可甚至超过在这些导电线中由于电迁移所赋予的限制阈值(通常为约107A/cm2)。而且，为了克服这种问题，已经建议使用具有热辅助转换(TAS)的磁随机存取存储器，通常缩写为TAS-MRAM，其中自由层或基准层自身被反铁磁层所限制。这种改进例如描述在文献US6385082中。在这种结构中，不是通过将两个垂直磁场脉冲结合来实现存储单元写入选择性，而是通过结合所要寻址的存储单元的温度简单增加来获得写入选择性，所述温度简单增加通过利用磁场脉沖或通过由自旋极化电元的电流脉冲产生'这种结构在图2中示出。在该图中，磁隧道结(31)的自由层(40)被反铁磁层(41)所限制(trap)。以与FIMS存储器的情况相同的方式，将绝缘层(42)夹在磁自由层(40)和称为"限制层"的磁性层(43)之间。在这种结构中，两个磁性层有利地由未掺杂或掺杂(特别是利用硼掺杂)的3d过渡金属(Fe、Co、M)或它们的合金制成，绝缘层可以由氧化铝或氧化镁制成。在一个有利的实施方案中，限制磁性层U3)与反铁磁层(44)耦合，其作用是限制层(43)，使得它的磁化不在写入时转换。而且，反铁磁层(44)可以是由几个层构成的合成反铁磁层。在这种结构中，反铁磁层(41)具有所谓的"阻隔(blocking)"(极限)温度Tb，在该温度之上时，施加在自由层(40)上的所谓稳定"交变"磁场不再对自由层(40)有效。选择制造这种反铁磁层(41)的材料及其厚度，使得阻隔温度tb超过存储器使用的温度(空闲运行温度)。同样，选择邻近限制层(43)的反铁磁层(44)的阻隔温度TB，使得它超过并明显不同于反铁磁层(41)的阻隔温度。因此，在低于反铁磁层(41)阻隔温度的温度下，自由层(40)被交变磁场稳定化，因此很难简单地通过施加外部磁场或使自旋极化电流穿过自由层而获得的自旋转移来使其磁化反向。在反铁磁层(41)的阻隔温度以及该温度以上的条件下，由于交变场为零，因此很容易通过外部磁场使自由层(40)的磁化反向，前提是在给定温度下或者通过利用由足够高密度的自旋极化电流穿过自由层而引起磁转换的自旋转移，从而使外部磁场超过自由层(40)的矫顽磁场强度。由此，对于自由层UO)而言，一种方法是选择允许自由层具有弱矫顽磁场强度的材料(如果通过磁场获得转换)或者具有低临界转换电流的材料(如果通过自旋转移获得转换)。这种特定的结构包括两个或三个电流水平线，这取决于转换是通过自旋转移还是通过磁场获得的。为了利用磁场实现写入，将所谓"场线"电流线(30)置于磁隧道结(31)下方，但实际上不与其接触。这种线旨在用于产生当几亳安电流流过时使自由存储层(40)反向所需的磁场。如果通过自旋转移获得转换则没有该线。在所述存储单元的磁隧道结(31)上方具有另一个称为"位线"的电流线(32)，并且二者接触。称为"字线"的第三电流线(33)经通孔(34)与CMOS晶体管(35)接触，该"字线"构成栅极。同样，对于FIMS而言，字线通过施加或不施加阈值电压在整个长度上控制晶体管沟道的打开或关闭，同时各个晶体管作为每一个相关联的存储单元的开关来运行。在读取模式中，通过在字线(33)中施加足够的电压来关闭与待读取的存储单元相关联的CMOS晶体管(35)。然后位线(32)发送仅可流过晶体管(35)关闭(导通)的单独存储单元的测试电流。该电流用于测量选定存储单元的磁隧道结(31)的电阻。通过与基准存储单元(没有示出)相比较，确定存储单元的对应状态-"l"或"O"，例如"l"状态对应于最大电阻，"0"状态对应于最小电阻。在写入模式中，通过在字线(33)中施加足够的电压来关闭与待写入的存储单元的CMOS晶体管(35)。然后通过位线(32)将强度大于测试电流的加热电流发送到待写入的存储单元。在大于一定的电流密度时，所述电流导致磁隧道结(31)的温度上升到反铁磁层(41)的阻隔温度之上。然后使用于稳定自由层(40)的交变场变为零，接着自由层变得非常不稳定。为了利用磁场获得磁转换，在达到阻隔温度时(几纳秒之后)发送持续时间为几个纳秒的几毫安的电脉冲通过场线(30)。这种脉冲产生足以在期望的方向上(写入"1"或，，0"位)使自由层(40)反向的磁场，这是因为如上所述，这种自由层U0)由于弱的本征矫顽性而非常不稳定。一旦自由层(40)被写入，则关断场线(30)中的电流，写入磁场变为零，然后关断磁隧道结(31)中的加热电流(通过关断位线(32)中的电流和打开晶体管(35))。然后，存储单元的整体温度很快降低(几个纳秒)到反铁磁层(41)的阻隔温度之下(通常降到空闲运转温度)，然后交变场返回其初始值，由此使得自由层(40)稳定。为了通过自旋转移获得转换，一种方法是使用加热电流以加热隧道结的存储层以及施加自旋转移转矩至所述层的磁化。为了使存储层的磁化转换，加热电流电子必须从基准层流向存储层，这意味着加热电流必须从存储层流向基准层。相反，为了使得存储层的磁化转换为反平行状态，加热电流电子必须从存储层流向基准层，这意味着加热电流必须从基准层流向存储层。这种具有热辅助写入的磁存储器具有如下一些优点，包括-由于只加热待写入的存储单元，因此明显改善写入选择性；—即使存储单元在环境温度下暴露于杂散磁场下时，写入存储器的信息也得以保存；—由于使用在环境温度下具有高的磁各向异性(由于存储单元的形状或存储层的交变各向异性场导致的本征各向异性和各向异性)的材料，从而改善了信息的热稳定性；-通过使用在环境温度下具有高的磁各向异性的材料或者具有由交变各向异性所限制的存储层，可显著减小存储单元的尺寸而不因此影响稳定性极限；-减少在写入时的功率消耗；_可在一定的环境下获得多级存储单元。也已证明，这种技术可用于实现逻辑元件例如可重复编程逻辑栅极(例如参见，出版物"Evaluationofanon-volatileFPGAbasedonMRAMtechnology"byZhao-W;Belhaire;Javerliac画V;Chappert-C;Dieny-B,Proceedings.2006internationalConferenceonIntegratedCircuitDesignandTechnology.2006:4pp,IEEE，Piscataway,NJ，USA)。这些逻辑元件还结合具有磁隧道结的CMOS半导体元件，例如上述的MRAMS。与目的在于存储信息的存储器不同，这些逻辑元件用于处理信息和对信息实施逻辑操作。磁隧道结通常在这些元件中用作可以改变CMOS电路的开关阈值的可变电阻器。本发明的目的涉及具有热辅助写入的MRAMS以及隧道结的磁结构通过利用热辅助经场或自旋转移写入而改变该逻辑元件。虽然具有这些优点，但是在制造技术方面仍遇到一些困难。在利用具有基于氧化铝的绝缘层的磁隧道结的具有热辅助写入的磁存储器的情况下，使用基于锰的合金特别是IrMn和FeMn作为反铁磁层用于限制存储层。使用这种层对磁致电阻率没有影响。该结果主要是由于构成磁隧道结的隧道势垒层的氧化铝的固有非晶性所致。这种非晶性在由此所产生的堆叠结构所需的退火阶段之后得以保持，必需进行以预定取向。这种非晶性对用于产生高的交变各向异性场的上部反铁磁层(IrMn)的织构(texture)没有影响。实际上，基于氧化铝的磁隧道结的磁致电阻值不受使用这种上部反铁磁层的影响。但是，如果使用基于结晶或织构氧化锰的磁隧道结，则情况完全不同。首先，需要提醒的是，使用利用基于氧化锰的隧道势垒层的磁隧道结使得可显著改进磁致电阻值。已经证明，这种改进是在MgO隧道势垒层和相邻铁磁层的晶体结构所固有的。MgO隧道势垒层和相邻铁磁层必须是单晶体或者是具有体心立方晶体排列(001)的高度织构化的，使得可以存在跨越隧道势垒层的对称自旋相关过滤效应(symmetricalspin-dependentfilteringeffect)。这样，利用磁隧道结在环境温度下获得超过100。/。的良好磁致电阻率，其中使用-体心立方Fe、Co或CoFe铁磁层；一或也包括体心立方多晶体CoFe或Co铁磁层的织构结-或具有沉积的非晶CoFeB的CoFeB/MgO/CoFeB堆叠结构。在后一种情况下，MgO隧道势垒层在其与下部非晶CoFeB层的界面水平处生长有高取向体心立方织构。需要在沉积所述堆叠结构之后实施热退火工艺，以使得接触MgO隧道势垒层的体心立方晶体取向的磁性层产生局部重结晶。此时，退火使得极化基准层的交变磁场固定。由于这些所发现的差异，自旋相关磁输运特性也不同，这取决于磁隧道结是基于氧化铝还是氧化镁。基于作为隧道势垒层和相邻铁磁层的织构晶体结构特征的电子波函数的对称性的自旋过滤产生较高的磁致电阻值。这种过滤也对堆叠结构的不同层之间的结构差异更敏感。在具有由MgO制成的隧道势垒层的磁隧道结的特定情况下，沉积具有体心立方结构的MgO隧道势垒层还包括生长具有相同晶体结构的上部铁磁层，以便确保基于通过隧道势垒层自旋相关过滤的电子效应的高TMR值。如上所述，在由交变场极化的存储层用于具有热辅助写入的磁存储器的情况下，必须在所述存储层的上表面上沉积具有低阻隔温度的反铁磁层。通常，这种反铁磁层被组织化以具有体心立方晶体结构，从而获得高极化交变场。这样，遇到在隧道势垒层和上部反铁磁层分别所需的两类结构之间的晶体不相容的问题，并且这对磁致电阻率以及存储层的交变各向异性具有不利影响。因此，面对实现下列三层堆叠结构相共存的困难，所述三层堆叠结构为MgO下部铁磁层/隧道势垒层/具有高磁致电阻率和体心立方结构的上部磁性层，其中上部的双层构成具有利用面心立方结构获得的高交变各向异性场的铁磁/反铁磁存储层，即使这两层具有不同的优选晶体结构也是如此。显而易见，虽然上述讨论基于涉及假设存在分隔基准层和存储层的隧道势垒层的磁隧道结的情况，但是在使用半导体分隔层(例如锗、硅或GaAs)或金属/异质氧化物分隔层例如所谓限制电流通路层(在硬盘的磁阻读取头领域中研发的)也遇到使晶体结构相适应的相同问题。例如通过氧化Al^Cux(其中x为0.5~10%)合金薄层来制备后者。
发明内容本发明的一个目的是准确提出利用场或自旋转移的具有热辅助写入的随机存取磁存储器或逻辑元件，更具体是利用具有由MgO(由于其磁特性)制成的隧道势垒层的磁隧道结作为存储单元，尤其是为了同时获得存储层的高磁致电阻率以及良好的限制(trapping)。为此，构成磁隧道结的堆叠结构必须具有如下各种特征-存储层具有低的阻隔温度和高的磁交变场，至少大于所述存储层的矫顽场强度；-存储层和基准层分别具有两个明显分开的阻隔温度分布；-高的磁致电阻率和小的电阻与表面积的乘积(小于100ft卞m2)，以获得高读取范围和确保在写入阶段有效加热，但是不超过隧道势垒层的击穿电压。为此，本发明涉及利用场或自旋转移的具有热辅助写入以及基于磁元件的磁存储器或逻辑元件，包括-称为"限制层"的磁基准层，其磁化处在固定方向上；-称为"自由层"的磁存储层，其具有可变的磁化方向并由层构成，所铁磁材料制成的磁化限制层;-夹在基准层和存储层之间的半导体或限制电流通路绝缘层。根据本发明，将分别由非晶或准非晶材料和具有与反铁磁层相同的结构或晶格的材料所构成的一个或多个双层置于铁磁层与反铁磁层之间的存储层中。将非晶或准非晶材料(即不具有晶体取向或结构或者具有大致等于或小于一个纳米的局部晶体组织的材料)插入存储层中，使得隧道势垒层和构成所述存储层上层的反铁磁层相容，因此实现上述各种特征。根据本发明，由非晶或准非晶材料制成的层的厚度为0.15~3nm。给出0.15nm的值仅作为最小值的实例，以允许在体心立方和面心立方结构之间的过渡。给出3nm的值仅作为最大值的实例，超过该值，则这种非晶或准非晶层的磁性层任一侧可能会过度磁耦合(如果非晶层是非磁性的)。如果非晶层是磁性的(例如CoFeB)，3nm的值也是最大值，以便不过度增加存储层的磁厚度。非晶或准非晶材料有利地选自包括下列物质的组钽(Ta)、铜(Cu)、钌(Ru)、二氧化硅(Si02)、氧化钽(TaO)、氧化铝(A10x)、氧化锆(ZrOx)、氧化钛(TiOx)、氧化铪(HfOx)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、加入硼、锆、铌或铪的过渡金属Co、Fe或M(其中所加入的元素总比例为5~30原子重量％),或者上述物质的合金。根据本发明，该非晶或准非晶材料可以通过利用阴极溅射或任意其它的物理气相沉积(PVD)方法来沉积。在本发明的一个变化方案中，非晶或准非晶材料由异质金属氧化物构成。例如，通过使铜铝合金(Al^CUx)精细层氧化来形成，其中x为0.1~10%,更一般地，异质合金具有通式My(NO丄-y,其中-M为选自包括镍、钴和铁的组的过渡金属或诸如铜、银或金的贵金属或所述贵金属的合金，-NOx为选自包括Si、Ti、Hf、Ta、Mg的组的元素的非晶或准非晶氧化物或这些氧化物的混合物；符号NO,表示氧化物的组成接近于相应氧化物的稳定组成(例如Si02、A1203、Ta2Os、Hf02)，但是可能存在氧空位。-y为0.1~10%。有利的是，根据本发明，分别限制基准层和存储层的反铁磁层基于磁合金，特别是用于基准层的PtMn和用于存储层的IrMn或FeMn。通过参考附图对下面示例性实施方案进行说明，本发明的实施方式及其所产生的优点将变得更加易懂。如上所述，图1是根据现有技术的FIMS型磁存储器的结构示意图。如上所述，图2是现有才支术已知的利用具有热辅助写入的MRAM的磁存储器示意图。图3是也属于现有技术的用于如图2中所示具有热辅助写入的磁存储器中的存储单元的示意图。图4是根据本发明的部分存储单元的图。具体实施例方式在本发明的前序部分以大量篇幅说明了关于随M^t存储器的现有技术。因此，为了简化说明书，下面仅将更详细地说明这种磁存储器的一个存储单元。如上所述，存储单元基本上由磁性磁致电阻元件构成，优选磁隧道结。后者包括选自包括氧化铝A10x、氧化钛TiOx和氧化镁MgO的组的隧道势垒层(42)。或者，分隔基准层(43)与存储层(40)的层可以是半导体(例如基于珪或锗或GaAs)。它也可以由金属/异质氧化物构成，例如在用于硬盘的磁致电阻读取头领域中JU艮的限制电流通路层。后者例如由AlkCux^构成，其中x为0.5~10%，该^ir被氧化以形成穿透有铜金属化孔的非晶氧化铝层。众所周知，由于介电击穿的风险，磁隧道结在可施加于其端子(terminal)上的电压方面具有限制。因此，必需充分降低电阻与表面积的乘积(RA)，使得电流可流过实际的隧道势垒层，其中所述电流足够高从而导致隧道结的存储层温度升高至超出其阻隔温度。根据用于磁隧道结的堆叠结构的性质，使磁隧道结温度上升约150'C所需的加热电流密度可以为105A/cm2~107A/cm2,取决于是否存在任意的热势垒层和这种势垒层的效果(热阻)(这由它们的厚度以及它们的热导率确定)。约1~50011卞1112的RA(电阻与表面积的乘积)适合于这种电流密度。如上所述，铝的氧化物特别^jf度为0.7~1.2nm的氧化铝或厚度为1.0~2.5nm的氧化镁MgO可用作隧道势垒层的材料。但是，为了获得高的特别是大于100。/。的磁致电阻率，有必务使用氧化镁作为隧道势垒层。已经证明，这些磁致电阻特性直接与它的体心立方晶体结构(001)以及接触所述隧道势垒层的铁磁层的相同结构相关。有利的是，铁磁基准层(43)位于与包括存储层(40)的面相反的隧道势垒层(42)的一个面上，存储层(40)由通过钌层耦合的反平行的两个铁磁层的堆叠结构所构成的合成层构成，其中第二铁磁层自身由反铁磁层(通常由PtMn制成)所限制。或者，基准层可以由M铁磁层限制的铁磁层构成。限制基准层的PtMn反铁磁层的厚度相对较大，通常为12nm~20nm，并且具有高的阻隔温度。类似地，根据本发明下文更详细的说明，存储层(40)自身祐反铁磁层(41)所限制，在这种情况下反铁磁层(41)由IrMn或FeMn制成并且比限制基准层的PtMn层更薄。这种IrMn或FeMn反铁磁磁化限制层也具有低于PtMn层的阻隔温度。当使用这种IrMn或FeMn反铁磁层时，所产生的存储层交变各向异性场的强度特别取决于其晶格的面心立方结构，其强度随着晶体结构的组织化水平增加而增大。对于给定的材料，阻隔温;1^;^决于晶粒体积尺寸，因此可以通过改变层厚度来调节它。如本发明的前序部分中所述，存储层(40)由双层构成，所述双层结合由铁磁材料制成的层以及由反铁磁材料(IrMn或FeMn)制成的层，铁磁材料层在该层平面内具有磁化作用并且与隧道势垒层接触，而反铁磁材料层具有中等或者甚至是低的阻隔温度，通常但不限于120~220°C。这种阻隔温度必须足够的高以确保在环境温度下即在非写入过程中存储层的磁化被充分限制以保存信息几年的时间，但阻隔温度不能过高以避免在每个写入操作过程中过度加热磁隧道结，这可能导致材料劣化、导致基准层磁化的去极化或者导致过高的功率消耗。这种IrMn(FeMn)特别是Ir20Mn8。(Fe50Mn50)反铁磁层具有4~15nm的典型厚度。作为存储层一部分并且与隧道势垒层(42)接触的铁磁层(47)例如由选自包括以下物质的组并具有约1~5nm的厚度的材料构成坡莫合金(Ni20Fe80)、Co90Fe10、或任意其它>|^、钴、镍的磁合金。经验表明，结构缺陷的分布可能在磁隧道结中非常密集，一方面是由于MgO隧道势垒层的体心立方晶体结构(001)与相邻铁磁层之间的内在结构不相容，另一方面是由于IrMn反铁磁层的面心立方晶体结构(111)之间的不相容。这些结构不相容对磁致电阻率和存储层的磁化限制质量具有直接影响，这是因为相对于隧道势垒层中传播态的对称性，晶体结构的这些差异没有有效过滤作为其自旋相关电子波函数的对称的函数的电子。利用不同于IrMn反45^磁层的面心立方结构(111)的结构产生较弱的交变各向异性场以及较高的存储层矫顽性，这种效果与本发明所寻求的目的背道而驰。根据本发明的一个主要方面并且为了获得所述结果，将一个或多个双层(每一个双层均包括非晶或准非晶材料层，如图4中所述)置于构成存储层的双层中，即置于接触隧道势垒层的铁磁层(47)与IrMn反铁磁层之间。引入由非晶或准非晶材料制成的层破坏了生长过程中局部晶体结构并允许从体心立方型晶体生长过程转变或他豫(relaxation)为面心立方型晶体生长过程。因此，当非晶或准非晶材料层沉积一次或多次时，由接触隧道势垒层的第一铁磁层所产生的体心立方结构(001)的存储器被破坏。根据本发明，不是简单地沉积非晶层，而是沉积由非晶或准非晶材料(45)以及具有面心立方晶体结构的铁磁材料(46)特别是由坡莫合金(NiFe)构成的材料制成的铁磁材料(46)构成的双层。这种双层(非晶或准非晶材料以及具有面心立方晶体结构的铁磁结构)重复的次数(N)必须尽可能的少，使得首先如此构建的存储层的矫顽场强度弱、其次使得所述存储层的加热有效从而有助于写入操作。根据本发明，由非晶或准非晶材料制成的层的厚度为0.153nm。给出0.15nm的值仅作为最小值的实例，以允许在体心立方和面心立方结构之间的过渡。给出3nm的值仅作为最大值的实例，超过该值，则这种非晶或准非晶层的磁性层任一侧可能会过度磁耦合(如果非晶层是非磁性的)。如果非晶层是磁性的(例如CoFeB),则3nm的值也是最大值，以便不过度增加存储层的磁厚度。非晶或准非晶材料有利地选自包括下列物质的组钽(Ta)、铜(Cu)、钌(Ru)、二氧化硅(Si02)、氧化钽(TaO)、氧化铝(AlOx)、氧化锆(ZrOx)、氧化钛(TiOx)、氧化铪(HfOx)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、加入硼、锆、铌或铪的过渡金属Co、Fe或Ni(其中所加入的元素总比例为5~30%原子重量)，或者上述物质的合金。通过阴极溅射或任意其它的物理气相沉积(PVD)方法来沉积这些层。利用这些方法沉积的氧化物或氮化物通常引入了大量的氧或氮空位，使得通过非晶或准非晶材料层所引入的电阻和表面积的乘积与隧道势垒层的电阻和表面积的乘积相比较小。对于金属层(例如CoFeB)而言，与隧道势垒层的电阻和表面积的乘积相比，具有非常小的电阻和表面积、的乘积、。由此产生的非晶或准非晶材料层也可以由上述材料的组合构成。例如可以使用0.3nm厚的AlZrOx化合物或这些材料的多层型组合，例如A10x0.2nm/TaOx0.2nm。在本发明的第二实施方案中，也可以插入例如通过氧化诸如Al^CUx(x为0.1~10%)的化合物薄层而获得的薄层形式的异质金属氧化物。这种类型的层被研制用于利用限制电流通路的磁致电阻头。由于铝对氧的亲合力远大于铜对氧的亲合力，因此在氧化之后所述层由具有相对良好受控密度和尺寸的铜金属化孔所穿孔的A10x层构成。这些孔的密度和尺寸由在氧化之前在AlCu合金沉积过程中与铝混合的铜的量以及氧化条件(氧化过程中的压力、温度)确定。更一般而言，可以使用通式为My(NOx)Ly的任意形式的异质合金，其中M为选自包括镍、钴和铁的组的过渡金属或诸如铜、银或金的贵金属或几种贵金属的合金。NOx表示非晶或准非晶氧化物，例如SiOx、TiOx、HfOx、TaOx和MgO，或它们的混合物。这些异质合金通过初始沉积薄MyN^y型层，然后通过自然或等离子体氧化来氧化所述层而产生。由于物质N(Si、Ti、Hf、Ta、Mg)对氧的亲合力大于金属M对氧的亲合力，因此在氧化过程中存在分离相，使得氧化导致NOx基体的形成，其中NOx基体包含利用材料M金属化的孔。这些孔也可以进行部分氧化，但是程度小于吸M体。待沉积的合金在氧化前的典型厚度为0.15nm~2nm。可以通过试错(trialanderror)来选择这些层的厚度，以获得足够的厚度从而允许所述层的结构变化，但是不至于过厚以确保位于所述层任一侧的磁性层保持足够的铁磁性耦合。换言之，接触隧道势垒层的磁存储层必须保持显著大于其在常温条件下即非写入过程中的矫顽性的交变场。该标准使得可在已经实施写入操作时确保在使用存储器的常温条件下的存储层的单一稳定态。如果金属M是磁性的(Fe、Co、Ni或基于这些金属的^r)，金属化孔将是磁性的并且通过NOx层在M层之间存在强的相对>^耦合。这4吏得可以使用相对M的NOx层(通常为0.6~2nm厚)。但是如果金属M是贵金属，则通过NOx层的层间耦合随着所述NOx层的厚度增加而快速减少。在这种情况下，必须4吏用较薄的层，通常为0.15lnm，以保持通过所述层的足够磁耦合。在符号NOx中，x表示接近N的稳定氧化物组成的组成。例如，如果N表示铝，则A10x表示接近AU03的组成。但是，在这种氧化物中，总是存在一些氧空位，并且这意味着该组成不是完美化学计量氧化物的精确理想组成。如在第一实施方案中所述，也可以在所述堆叠结构中插入几个这种异质合金层(通常为两个或三个)，同时仍保持所需的厚度以保存整个存储层良好的磁相干性(magneticcoherence),换言之，构成存储层的不同层必须充分地磁性耦合如单一磁性层一样响应，其矫顽性小于交变各向异性场，后者在常规模式下，即在非写入期间，通常等于几十到几百个奥斯特。在本发明的第三实施方案中，插入存储层中的非晶或准非晶材料层可以通过在隧道结的上部磁层生长过程中发生的自然或等离子体氧化阶段来获得。例如，可以在MgO隧道势垒层上沉积2nm厚的具有体心立方晶格的第一CoFeB或CoFe层(铁离子浓度超过30%，优选约50%)。所得结构然后暴露于大气或氧，以自然氧化CoFeB或CoFe的表面，从而获得CoFeBOx或CoFeOx层。在该操作之后，可以利用面心立方型磁性材料例如具有小于30%铁离子浓度的CoFe(例如Co90Fex)或MFe来生长上层。用于通过氧化先沉积的磁性层的表面来实现纳米氧化物层的技术与已经在生产镜面自旋阀领域中发展的技术相同(例如参见出版物J5Vi/i頭ce附^M/nj^/osws/"gA/"ox,V/e/fl"rs7VM"朋</270(7人/;.^-^/，/^&冊o;M卯)。由此形成的氧化物相对薄、是准非晶的，约0.5nm厚，并且具有相对高的孔密度。这使得可以获得通过该层的强铁磁耦合。由此它们非常适合用于本发明。在本实施方案的内容中，也可以在构成存储层的堆叠结构中并因此在隧道势垒层与在常规模式(即在非写入期间)限制存储层磁化的反铁磁层之间使用几个这样的纳米氧化物层。利用根据本发明的磁隧道结产生的存储器使得可以实现高的磁致电阻率，这主要是由于MgO隧道势垒层以及与所述势垒层接触的磁性层的体心立方结构以及弱矫顽性存储层(具有面心立方晶体结构的反铁磁磁化限制层)的高的交变各向异性场，需要这些性质以在具有热辅助写入的磁存储器中产生具有优选交变各向异性场的存储层。如上所述，插入一个或多个非晶或准非晶材料薄层可以使两个晶体结构去耦合。为了示例性目的，本发明利用不同存储层结构进行了试验。1.基于CoFeB的简单的常规存储层2.由CoFeB/NiFe/IrMn三层构成的存储层3.由CoFeB/Ta(0.2nm)NiFe/IrMn堆叠结构所构成的存储层4.由CoFeB/Ta(0.5nm)MFe/IrMn堆叠结构所构成的存储层存储层的隧道磁致电阻(TMR)、表面面积与电阻的乘积(R.A.)、交变各向异性场Hex和矫顽场强度(Hc)的所得实验值在下表中示出。<table>tableseeoriginaldocumentpage20</column></row><table>注意，对于常规CoFeB层(实施例1)而言，60Q卞n^的乘积所得的TMR值为约160%。在存储器的磁隧道结的织构CoFeB/MgO/CoFeB堆叠结构中，这些值被认为是对于良好磁致电阻性能的基准值(benchmark),上部CoFeB层的矫顽场强度也相对弱。在存储层的第二建议的堆叠结构情况下(CoFeB/MFe/IrMn)(实施例2)，加入NiFe层以使IrMn反铁磁层的交变各向异性场最优化。在铁磁层上加入这种IrMn层导致磁致电阻显著降低到实施例1的约一半，但是交变各向异性场保持较高(140奥斯特)。在CoFeB磁层和NiFe层之间插入准非晶钽材料超薄层(0.2nm厚)，使得可将TMR值提高至约130%，同时保持相同的交变各向异性场值。增加钽层的厚度使得可进一步提高TMR值，通常直至达到基准值(实施例1)，但是在这种情况下在上部CoFeB层上的交变各向异性场急剧下降。换言之，在接触隧道势垒层的铁磁层与接触IrMn反铁磁层的一个层之间插入非晶或准非晶材料极薄层，使得可以实现高的TMR值和高的交变各向异性场。但是，如果该层的厚度过大，则铁磁层完全去耦合并且交变各向异性作用于上部CoFeB层然后消失。权利要求1.一种利用场或自旋转移的具有热辅助写入的磁元件，包括-称为“限制层”的磁基准层(43)，其磁化处在固定方向上；-称为“自由层”的磁存储层(40)，其具有可变的磁化方向并由层(47)构成，所述层(47)由在该层平面内具有磁化作用的铁磁材料制成并且磁性耦合于由反铁磁材料制成的磁化限制层；-夹在所述基准层和所述存储层之间的半导体或限制电流通路绝缘层(42)，其特征在于，将分别由非晶或准非晶材料(45)和具有与反铁磁层(41)相同的结构或晶格的材料(46)所构成的一个或多个双层置于接触所述半导体或限制电流通路绝缘层(42)的铁磁层(47)与反铁磁层(41)之间的所述存储层中。2.根据权利要求1所述的利用场或自旋转移的具有热辅助写入的磁元件，其特征在于，由非晶或准非晶材料制成的所述层(45)的厚度为0.15~2nm。3.根据权利要求1或2所述的利用场或自旋转移的具有热辅助写入的磁元件，其特征在于，所述非晶或准非晶材料选自包括下列物质的组钽(Ta)、钌(Ru)、二氧化硅(Si02)、氧化钽(TaO)、氧化铝(A10x)、氧化锆(ZrOx)、氧化钛(TiOx)、氧化铪(HfOx)、氮化钽(TaN)、氮化钛(TiN)、加入有硼、锆、铌或铪的过渡金属Co、Fe或Ni(其中所i^a入元素的总比例为5~30原子重量％),或者这些物质的合金。4.根据权利要求l~3中任一项所述的利用场或自旋转移的具有热辅助写入的磁元件，其特征在于，通过阴极'减射或任意其它的物理气相沉积方法来沉积所述非晶或准非晶材料层。5.根据权利要求1和2中任一项所述的利用场或自旋转移的具有热辅助写入的磁元件，其特征在于，所述非晶或准非晶材料由异质金属氧化物构成。其特征在于，所,述异质金属氧化4具有通式My一0:-y，;中'-M为选自包括镍、钴和铁的组的过渡金属或诸如铜、银或金的贵金属或贵金属的合金；-NOx为选自包括Si、Ti、Hf、Ta、Mg的组的元素N的非晶或准非晶氧化物或这些氧化物的混合物；6.y为0.1~10%。7.根据权利要求5所述的利用场或自旋转移的具有热辅助写入的磁元件，其特征在于，所述异质金属氧化物具有通式(AlkCux)，其中x为0.1~10%。8.根据权利要求1~7中任一项所述的利用场或自旋转移的具有热辅助写入的磁元件，其特征在于，分别限制基准层(43)和存储层(40)的所述反铁磁层(44，41)是基于^^合金的，特别是用于所述基准层的PtMn和用于所述存储层的IrMn或FeMn。9.一种具有热辅助写入的磁存储器，所i^t存储器的每一个存储单元由根据权利要求1~8中任一项所述的磁元件构成。10.—种具有热辅助写入的逻辑元件，所述逻辑元件由根据权利要求1~8中任一项所述的磁元件构成。全文摘要本发明涉及一种具有利用场或自旋转移的具有热辅助写入的磁元件，包括称为“限制层”的磁基准层，该磁基准层的磁化方向为固定方向；称为“自由层”的磁存储层(40)，其具有不同磁化方向并由层(47)构成，层(47)由在该层平面内具有磁化作用的铁磁材料制成并且磁性耦合由反铁磁材料制成的磁化限制层；夹在基准层和存储层之间的半导体或限制电流通路绝缘层(42)。将分别由非晶或准非晶材料(45)和具有与所述反铁磁层相同的结构或晶格的材料(46)构成的一个或多个双层置于接触导体或限制电流通路绝缘层(42)的铁磁层(47)与反铁磁层(41)之间的存储层中。文档编号H01L43/08GK101452991SQ20081017890公开日2009年6月10日申请日期2008年11月27日优先权日2007年12月5日发明者克拉里斯·迪克吕埃,卢西恩·普雷日贝亚努,塞西尔·莫努里,贝纳德·迪耶尼,里卡多·索萨申请人:原子能委员会